Hur man matchar en kulskruv och linjär styrning för en axel: belastning, hastighet, noggrannhet och storlek

A kulskruvochlinjär styrningutföra olika funktioner på samma rörelseaxel. Den här guiden förklarar hur man dimensionerar och matchar dem utifrån belastning, hastighet, noggrannhet, slaglängd, styvhet och installationsförhållanden istället för att förlita sig på parningar av fast storlek.

1. Vad bär kulskruven och vad bär de linjära styrningarna?

Kulskruven och linjärstyrningarna fungerar tillsammans, men de bär inte samma belastningar.

Dekulskruv överför i första hand axiell dragkraft. Beroende på maskinen kan detta inkludera accelerationskraft, processkraft, friktionsmotstånd och, på en vertikal axel, vikten av den rörliga enheten.

Delinjära styrningar stödjer och begränsar den rörliga strukturen. De bär vertikala och laterala krafter och motstår stigning, girning och rullande moment som skapas av belastningen, yttre krafter och-tyngdpunktsförskjutning.

Av denna anledning bör en kulskruv inte behandlas som det huvudsakliga radiella styrelementet för axeln. Styrningarna ska styra rörelsebanan, medan skruven huvudsakligen ger drivkraften.

2. Applikationsingångar krävs innan dimensionering

Innan du väljer någon av komponenterna, samla in driftsförhållandena för hela axeln.

Rörlig mässa

Inkludera varje komponent som rör sig med vagnen, såsom bordet, fixturen, arbetsstycket, spindeln, verktygen och all utrustning som är monterad på den rörliga enheten.

Yttre krafter

Identifiera skärande, pressande, fastspännings- eller andra processkrafter. Riktningen och punkten där kraften verkar är viktiga eftersom de bestämmer både kulskruvens dragkraft och linjära styrmomentbelastningar.

Monteringsorientering

Bestäm om axeln är horisontell, vertikal eller lutande. På en horisontell axel stöds tyngdkraften huvudsakligen av styrningarna. På en vertikal axel blir tyngdkraften också en kontinuerlig axiell belastning på kulskruven och drivsystemet.

Slag och installationslängd

Den effektiva rörelsen är inte densamma som den totala skruvlängden. Utrymme krävs också för kulmuttern, stödenheterna, axeländen-bearbetning och maskinstrukturen.

Hastighet och acceleration

Acceleration skapar tröghetskraft enligt:

F = m × a

En tung axel kan generera betydande dragkraft även vid måttlig hastighet om accelerationen är hög.

Noggrannhetskrav

Definiera positioneringsnoggrannhet, repeterbarhet, tillåtet spel eller axiellt spel och erforderlig styvhet. Skruvens noggrannhetsgrad bör komma från maskinens faktiska positioneringskrav snarare än att bara välja den högsta tillgängliga kvaliteten.

Arbetscykel

Drifttimmar, cykler per timme, körsträcka per cykel och lastvariation påverkar alla livslängden för både kulskruven och linjärstyrningarna.

3. Dimensionera de linjära guiderna utifrån krafter, moment och blockavstånd

Linjär styrdimensionering bör inte baseras enbart på maskinens totala vikt.

Till exempel producerar en 500 kg rörlig enhet en gravitationskraft på ungefär:

500 × 9.81 = 4,905 N

Om axeln använder två skenor och fyra block ger en delning av 4 905 N lika mellan fyra block endast ett idealiserat statiskt värde. Riktiga maskiner har ofta en förskjuten tyngdpunkt eller yttre krafter som skapar moment.

Guideval bör därför överväga:

• räls-till-rälsavstånd;
• blockera-till-blockera avstånd;
• centrum-av-tyngdpunktshöjd;
• längsgående och lateral lastposition;
• yttre kraftriktning;
• pitchande, girande och rullande ögonblick.

Att öka avståndet mellan rälsen förbättrar generellt motståndet mot rullmoment, medan ökat avstånd i längdriktningen mellan blocken kan förbättra motståndet mot lutnings- och girmoment.

Efter att ha beräknat lastfördelningen, kontrollera guidetillverkarens dynamiska belastning, statiska belastning, tillåtna moment och erforderlig livslängd.

4. Dimensionera kulskruven från Thrust, Life, Buckling och Critical Speed

Erforderlig Axial Thrust

För en horisontell axel kan den erforderliga skruvdragkraften uppskattas från accelerationskraft, extern processkraft och mekaniskt motstånd.

F_total = F_acceleration + F_behandla + F_motstånd

För en vertikal axel måste även gravitation ingå. Enbart en 500 kg vertikal rörlig massa skapar cirka 4 905 N gravitationsbelastning innan accelerations- och processkrafter läggs till.

Ball Screw Life

Kulskruvens livslängd beror på förhållandet mellan skruvens dynamiska belastning och motsvarande axiella arbetsbelastning. Det faktiska lastspektrumet bör beaktas istället för att endast använda den maximala kraften.

Spänning

Långa kulskruvar som utsätts för tryckbelastning måste kontrolleras för buckling. Viktiga faktorer inkluderar skruvrotens diameter, ostödd längd, stödarrangemang och tryckkraft.

Kritisk hastighet

Långa roterande skruvar måste också hålla sig under sin tillåtna kritiska hastighet. Det erforderliga skruvvarvtalet beror på linjärhastighet och skruvförledning.

En större ledning kan minska skruvrotationshastigheten för samma linjära körhastighet, men den ändrar också motorns vridmoment, mekaniska fördelar och positioneringsupplösning. Diameter och ledning bör därför väljas tillsammans.

5. Matcha noggrannhet, förbelastning och styvhet

Enbart lastkapaciteten avgör inte om skruven och styrningarna är korrekt matchade. Hela axeln måste också ge erforderlig noggrannhet och styvhet.

Kulskruvnoggrannhet

Välj kulskruvens noggrannhetsgrad enligt axelrörelse, positioneringstolerans, styrstrategi och den totala maskinfelbudgeten.

Förladda

Kulskruvens förspänning kan minska det axiella spelet och öka styvheten, medan styrförspänningen kan minska förskjutningen vid förändrade belastningar. Överdriven förspänning ökar dock friktionen, värmeutvecklingen och känsligheten för installationsfel.

Målet är inte att specificera maximal förspänning eller maximal precision överallt. Skruven, styrningarna, stödlagren, kopplingen, monteringsytorna och maskinramen bör väljas som ett mekaniskt system.

6. Kontrollera skruv-guidens inriktning och installationsgeometri

Även komponenter med rätt storlek kan fungera dåligt om skruven och styrningarna är installerade med alltför stor felinställning.

Viktiga installationsfaktorer inkluderar:

• rälsmontering-ytans rakhet;
• parallellitet mellan styrskenor;
• kulskruvsinriktning;
• stödja-lagerinriktning;
• noggrannhet för montering av kulmutter;
• styvheten hos den rörliga vagnen.

Dålig uppriktning kan öka drivmoment, värme och slitage samtidigt som livslängden och positioneringsprestandan minskar. Förinstallerade system ställer generellt högre krav på installationsnoggrannhet.

7. Bearbetat exempel: En 500 kg horisontell automationsaxel

Överväg en preliminär horisontell automationsaxel med följande krav:

Steg 1: Beräkna tröghetskraften

Vid en acceleration på 1,0 m/s²:

F = 500 × 1.0 = 500 N

Detta är bara accelerationskraften. Processkraft och mekaniskt motstånd måste fortfarande läggas till.

Steg 2: Beräkna guidebelastning

Styrsystemet stöder cirka 4 905 N statisk vikt. Individuella blockbelastningar kan dock inte bekräftas förrän rälsavstånd, blockavstånd och-tyngdpunktsposition är kända.

Steg 3: Välj guidearrangemang

Beräkna krafterna och momenten som verkar på varje block med den faktiska maskingeometrin, välj sedan en guideserie och blockkonfiguration som ger den erforderliga lastkapaciteten, momentkapaciteten, styvheten och livslängden.

Steg 4: Välj kulskruven

Bestäm erforderlig axiell dragkraft och kontrollera sedan skruvdiameter, ledning, dynamisk belastningskapacitet, förväntad livslängd, kritisk hastighet och knäckning där så är tillämpligt.

Det här exemplet anger inte medvetet en fast skruv- eller styrstorlek eftersom den saknade geometrin och process-kraftsdatan väsentligt kan ändra det slutliga valet.

8. Vanliga matchningsmisstag

Använda en fast skruv-för att-guide storlekstabellen

Det finns inget universellt-till-förhållande mellan kulskruvens diameter och linjär styrstorlek.

Välj endast guider från maskinvikt

-tyngdpunktsförskjutning- och yttre moment kan skapa mycket högre belastningar på enskilda block än vad en enkel viktberäkning antyder.

Välja en kulskruv endast från belastningskapacitet

En skruv kan ha tillräcklig axiell belastningskapacitet men fortfarande inte applikationens kritiska -hastighet, knäckning, ledning eller installationslängd-.

Ignorerar acceleration

Acceleration kan skapa betydande dragkrafts- och momentbelastningar, särskilt på tunga och höga-cykelaxlar.

Använda kulskruven som en guide

De linjära styrningarna ska styra rörelsebanan. Kulskruven ska huvudsakligen överföra axiell drivkraft.

Ange överdriven förladdning

Mer förladdning är inte alltid bättre. Överdriven förspänning ökar friktion, värme och känslighet för monteringsfel.

9. Checklista för anbudsförfrågan för ett komplett kulskruv- och linjärt styrsystem

För ett preliminärt val av kulskruv och linjär styrning, ange:

• Rörlig massa och extern processkraft
• Horisontell, vertikal eller lutande montering
• Effektiv stroke
• Maximal hastighet och acceleration
• Positioneringsnoggrannhet och repeterbarhet
• Dagliga drifttimmar och cykelfrekvens
• Tillgänglig monteringslängd för kulskruv
• Antal skenor och block
• Rälsavstånd och blockavstånd
• Tyngdpunkts-läge-om tillgängligt
• Arbetsmiljö
• Prototyp och produktionsmängd

En maskinritning eller enkel axellayout är särskilt användbar när lasten är förskjuten från guidens mittlinje.

Slutsats

Att matcha en kulskruv och linjär styrning är inte en fråga om att para ihop två katalogstorlekar.

De linjära styrningarna bör väljas efter krafter, moment, lastfördelning, geometri och livslängd. Kulskruven ska väljas enligt axiell dragkraft, livslängd, diameter, ledning, kritisk hastighet, buckling och positioneringskrav.

Den slutliga kombinationen bör sedan kontrolleras som ett komplett system för styvhet, noggrannhet, inriktning och installationsförhållanden.

← Tillbaka till DLY Blog